滇中引水工程龙川江倒虹吸结构型式比选研究
司建强，李云，朱国金
中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051
在长距离输水工程中，倒虹吸是过沟河的重要交叉建筑物，输水管道的选择对节约工程投资、保证工程安全及后期运行维护至关重要。本文针对滇中引水工程水头最高、工作条件最为复杂的龙川江倒虹吸的工作环境，通过对输水管道的管材、管径及管数进行了详细比选，提出最合理的管道设计方案。
1 引言
滇中引水工程是云南省一项水资源综合利用的重大工程，工程实施可有效缓解滇中地区长时期的缺水矛盾，改善河道及高原湖泊的生态及水环境状况，对促进云南省经济社会协调和可持续发展具有重要作用。
滇中引水工程主要由水源工程、输水工程、配套工程等组成，其中水源工程、输水工程为主体工程。输水工程沿线经过迪庆、丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪，终点为红河的蒙自，全长共852.73km，设计流量140～13m3/s。
倒虹吸作为长距离输水工程中过山谷、河流、道路或其他渠道的压力输水管道，是输水及灌溉渠系工程中的重要建筑物之一。相对于高支墩、大规模渡槽，倒虹吸具有工程量小，施工方便、投资少等特点，特别是在山区，倒虹吸推广应用十分迅速。
龙川江倒虹吸位于楚雄段总干渠上，设计流量为90m3/s，倒虹吸横跨龙川江干流，由于龙川江河床冲切较深达250m，倒虹吸压力钢管最大工作水头达205m，是滇中引水工程中工作水头最高、工作条件最为复杂的交叉建筑物，因此其采取可靠的结构形式对保证滇中引水工程安全运行是至关重要的。
2 龙川江倒虹吸概况
龙川江倒虹吸位于楚雄州牟定县，水平长1461.029m，实际长1565.79m，进口底板高程1931.83m，出口高程1930.97m。倒虹吸跨越龙川江干流，河道宽度50～80m，河底高程约1695m，为典型V形河谷，主河谷左侧边坡为30°，右岸为50°。倒虹吸采用压力管道输水，设计过流能力Q=90m3/s。
龙川江河底距倒虹吸进出口水位垂直高差240m，无法采用渡槽形式，因此采用桥式倒虹吸跨过龙川江，管桥段倒虹吸管道中心线高程为1734m。桥架形式为单跨独拱桥，一跨跨越龙川江，独拱桥主跨跨径100m，桥面宽20m，宽跨比1/5，拱脚处最大墩柱高18m，如图1和图2所示。
图1 龙川江倒虹吸结构布置图
3 倒虹吸管材比选
根据龙川江倒虹吸地形地质条件、引水流量（90m3/s）和工作水头（最大2.05MPa），管材主要在钢管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管（PCCP管）、预应力混凝土管和玻璃钢夹砂管之间进行比选。
图2 龙川江倒虹吸结构布置3D展示图
3.1 钢管
钢管的优点是结构安全可靠，结构承压能力较高，管件重量较轻，运输费用低；适应变形的能力强，对不良地质条件的适应性强。缺点是需现场拼焊管段，需设置内外层环氧沥青防腐层，并定期进行检修、维护。
3.2 球墨铸铁管
球墨铸铁管主要化学成分为碳、硅、锰等元素，在铁素体和珠光体分布球状石墨。采用离心铸造的方法，使铸件组织严密。球墨铸铁管的优点是在中低压管网中结构运行安全可靠，抗拉强度大，耐腐蚀、耐电蚀性好，接口形式简单安装简单，内外防腐问题易于解决。缺点是管件重量大，管材的价格高，运输费用较高，抗压力低，在高压管网，一般不使用。
3.3 预应力钢筒混凝土管（PCCP管）
管材是钢管和钢筋混凝土管的组合管。特点是具备钢管的耐高压和钢筋混凝土管的抗腐蚀和耐久性能好的优点，抗渗性能好，随着管道口径增大，PCCP管的性价比越高。缺点是管件重量大，运输安装费用高，不适宜高架明管敷设。
3.4 预应力混凝土管
预应力混凝土管的优点是在中低压管网中结构可靠，造价较低。缺点是在高压管道中壁厚及重量大，运输费用高，安装时需配有一定的起吊设备及场地要求。当内压大于0.4MPa后，就较难满足混凝土限裂的要求，容易发生渗漏问题。
3.5 玻璃钢夹砂管
玻璃钢夹砂管的优点是管段重量较轻，运输费用低，安装简便；管道耐腐蚀性、耐久性好，使用寿命长；管壁糙率小，水力条件好，其管径亦可相应缩小，造价低。缺点抗外压能力差，对回填土的施工质量要求严格，同时适应变形的能力较差，大口径管道中的配件加工比较困难，管材价格较高。多用于公称直径1000mm以下给水压力管道。
倒虹吸管材的比较见表1。
表1 倒虹吸管材比较
各种管材投资方面比选（未考虑运输及安装费用），球墨铸铁管的管材投资约为钢管的2.5倍，PCCP管的管材投资约为钢管的0.95倍，预应力混凝土管约为钢管的0.75倍，玻璃钢夹砂管的管材投资约为钢管的1.2倍。因此五种倒虹吸管材投资由大到小依次为：球墨铸铁管、玻璃钢夹砂管、钢管、PCCP管和预应力混凝土管。
从上述分析可以看出，PCCP管重量过大（每节长5m，重约70t），需采用轨道门机铺管施工，在陡斜坡施工难度巨大，安装及运输费用高，管道适应不良地基变形的能力差；预应力混凝土管造价低，但适应不良地基变形的能力差，管道重量大，且作为高承压管存在渗漏等问题；玻璃钢夹砂管糙率小，同等条件下管径小，造价较低，但其适应不良地基变形的能力差，基础条件要求高，抗外压能力差，埋管施工开挖支护工程量加大，多用于小管径管网；综上，以上三种管材不推荐采用。
由于龙川江倒虹吸为高承压管道，最低压力1.32MPa，且跨河管段为100m大跨度桥架，在地震等特殊工况下可能发生短暂的管道移位变形。采用钢管和球墨铸铁管结构更安全可靠，适应变形的能力强，并可通过设置柔性接头（如在桥架两端设置万向波纹管伸缩节）来适应管道较大的变形及错动。但是从经济性来看，钢管道比球墨铸铁管节约40%，同时适应变形能力优于球墨铸铁管，因此龙川江倒虹吸管材采用钢管。
4 倒虹吸管径及管数比选
在相同流量（90m3/s）及相同水头损失（0.88m/km）条件下，对倒虹吸不同管径及管数进行比选，由于本工程引水流量较大，初步拟定双管、三管和四管三种方案进行综合比选。
根据取水输水建筑物丛书《泵站》中经济管径的经验公式初选管径：
式中 D——钢管直径，mm；
Q——单管引水流量，m3/h。
经验公式计算得出双管、三管和四管三种方案对应的经济管径分别为4.6m、3.8m和3.3m。下面对三种不同管径及管数布置方案进行综合比选。
根据龙川江倒虹吸水头损失进一步计算，确定三种方案对应管径分别为：双管方案管径为4.66m，三管方案管径为4m，四管方案管径为3.59m。当通过设计流量Q=90m3/s时，三种方案倒虹吸的流速均在《泵站设计规范》（GB 50265—2010）建议取值 2～3m/s的范围内。倒虹吸不同管径、管数方案比选见表2。
表2 倒虹吸不同管径、管数方案比选
从表2可以知道，从直接工程投资来看，管数越少管径越大，方案经济性能越优。双管方案投资最低，比三管方案和四管方案分别减少约9%和16%，仅从经济性的角度讲应选择该方案，但管径达到4.66m，根据工程经验拟在钢管上一定长度设一节软接头（如万向波纹管伸缩节）来适应变形和错动，而管径过大对适应变形错动能力差，且钢管、伸缩节及管道支座在斜坡管段的制造安装难度也越大，同时需采取更加严格的基础处理措施，增加基础处理投资，两管方案施工难度及后期运行维护、检修难度均较大，不推荐该方案。
由于倒虹吸进出口单管均设置检修闸或节制闸，倒虹吸三管和四管方案检修及运行方式均十分灵活，从施工和后期维护角度考虑基本相同，不存在任何难度，同时两种方案均能较好适应桥架管道的结构安全要求，但四管方案投资比三管方案增加约8%，同时征地范围及桥架工程量均相应增加约20%。
因此，从减少工程投资，兼顾工程结构安全、运行灵活及维修方便等角度综合考虑，最后推荐采取三管方案，管径D=4m。
5 倒虹吸管道结构设计
龙川江倒虹吸钢管实际长度1565.79m，最大工作水头205m，三根钢管道总长度4131m，管内流速2.387m/s，总水头损失1.546m。压力钢管道明管结构断面见图3和图4。
图3 龙川江倒虹吸管道典型断面（单位：m）
比选方案倒虹吸压力钢管最大设计水头为205m，管壁厚度按锅炉公式δ=0.5PD/［σ］计算，考虑到管壁受泥沙磨损、钢管锈蚀、制造不精确等因素，在计算壁厚的基础上应再加2mm锈蚀厚度，为尽量减小工程投资，倒虹吸管道设计分三个工作水头范围，管道厚度分别为15mm、23mm和28mm，对应长度分别为1926m、1038m和1167m。
图4 龙川江倒虹吸压力钢管道3D展示图
6 结语
龙川江倒虹吸是滇中引水工程中大型交叉建筑物，根据管材、管径及管数比选，龙川江倒虹吸最终采用3根公称直径4000mm的压力钢管道，管道壁厚根据工作水头范围进行设计，在保证工程运行安全及检修方式灵活的条件下，尽可能减少管材及开挖支护工程量，减少工程投资，为以后类似工程设计提供参考。
参考文献
［1］李炜.水力计算手册［K］.北京：中国水利水电出版社，2006.
［2］李惠英，田文泽，闫海新.《取水输水建筑物丛书（倒虹吸管）》.北京：中国水利水电出版社，2006.
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［4］李鹤，贾运甫.新疆某水电站工程倒虹吸管材选择［J］.水利科技与经济，2013.